拉西瓦水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)機組功率調(diào)節(jié)性能優(yōu)化

謝敏杰

（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司/南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引言

拉西瓦水電站位于青海省境內(nèi)的黃河干流上，是黃河上游龍羊峽至青銅峽河段規(guī)劃的第二座大型梯級電站。電站裝機6臺700 MW機組，是黃河上最大的水電站和清潔能源基地，也是黃河流域大壩最高、裝機容量最大、發(fā)電量最多的水電站。

拉西瓦水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱“監(jiān)控系統(tǒng)”）采用全分布開放結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為主站級和現(xiàn)地控制單元級。主站級系統(tǒng)為南瑞集團公司（以下簡稱“南瑞”）研制的NC2000計算機監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)地控制單元（以下簡稱“LCU”）采用SJ-500微機監(jiān)控裝置，其可編程邏輯控制器（以下簡稱“PLC”）采用施耐德公司的昆騰系列。主站級和現(xiàn)地控制單元級經(jīng)100 Mb/s雙光纖以太網(wǎng)相連。主站級包括系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器集群、系統(tǒng)實時服務(wù)器、操作員工作站、工程師兼培訓工作站、通信服務(wù)器等，現(xiàn)地控制單元級包括機組LCU 5套、開關(guān)站LCU 1套、公用LCU 1套、廠用電LCU 1套。每套現(xiàn)地控制單元均配置雙CPU、雙網(wǎng)絡(luò)、雙電源、雙現(xiàn)場總線的冗余架構(gòu)，各個本地I/O與遠程I/O之間通過1 Mb/s冗余RIO現(xiàn)場總線連接。所有控制流程、功率調(diào)節(jié)功能都放在LCU中，保證了上位機或網(wǎng)絡(luò)故障時LCU仍能正常工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 拉西瓦水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

拉西瓦水電站監(jiān)控系統(tǒng)機組功率調(diào)節(jié)采用經(jīng)典閉環(huán)控制，由監(jiān)控系統(tǒng)機組LCU完成，即機組并網(wǎng)后調(diào)速器選擇開度調(diào)節(jié)模式，機組功率反饋到機組LCU，機組LCU根據(jù)機組功率設(shè)定值與實發(fā)值的偏差，及PID調(diào)節(jié)參數(shù)實時計算增/減機組功率脈沖指令，按照一定周期輸出給調(diào)速器，調(diào)速器根據(jù)脈沖寬度的大小，調(diào)整導葉開度達到調(diào)節(jié)機組功率的目的。機組LCU檢測到機組功率實際測量值進入調(diào)節(jié)死區(qū)時，停止向調(diào)速器發(fā)送機組功率增/減脈沖指令，從而完成一次機組功率調(diào)節(jié)過程。

1 問題的提出

自國家能源局西北監(jiān)管局印發(fā)《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》及《西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》（以下稱“兩個細則”）以來，對西北區(qū)域水電站的自動發(fā)電控制（以下簡稱“AGC”）提出了更高的要求，主要考核機組AGC的可用率、調(diào)節(jié)速率及響應(yīng)時間。

可用率：要求達到98%以上。

可用率=（AGC可用小時數(shù)/機組并網(wǎng)小時數(shù)）×100%

對于全廠成組投入的電廠，AGC 可用率=(AGC可用小時數(shù)/全月日歷小時數(shù))×100%。

響應(yīng)時間：水電機組要求≤10 s。

響應(yīng)時間=從西北電網(wǎng)公司調(diào)度中心機構(gòu)（以下簡稱“電網(wǎng)調(diào)度”）下達AGC命令算起，到AGC機組開始執(zhí)行命令止。

調(diào)節(jié)速率：水電機組要求大于每分鐘50%。

調(diào)節(jié)速率=[abs（目標出力－當前出力）/機組額定功率/（目標出力達到時間－命令下發(fā)時間）]×100%（單位：機組調(diào)節(jié)容量占額定功率的比例/min）

原調(diào)速器是由法國阿爾斯通公司提供，僅有開度調(diào)節(jié)模式，目前，1、3、5號機組調(diào)速器電氣柜改造為東方電機有限公司的產(chǎn)品，提供開度調(diào)節(jié)和機組功率調(diào)節(jié)2種模式，平時使用開度調(diào)節(jié)模式，電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)單機AGC方式進行調(diào)節(jié)。2017年6月，拉西瓦電站開展了AGC投運工作，投運后，單機AGC響應(yīng)時間在一些工況下大于10 s，機組功率調(diào)節(jié)速率低于50%P/S，考核結(jié)果并不理想，不符合電網(wǎng)調(diào)度考核要求，自此，AGC暫未投入運行。

2 尋找解決方案

（1）針對AGC考核指標：響應(yīng)時間

其實電網(wǎng)調(diào)度考核的這些數(shù)據(jù)，并不是真實電站調(diào)節(jié)性能，是加上了系統(tǒng)內(nèi)各種響應(yīng)延遲造成一定程度上數(shù)據(jù)指標下降，整個過程大致如下：

下行：

電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)單機AGC給定值至電站監(jiān)控系統(tǒng)遠動通信機IEC60870-5-104程序（理論上瞬時），然后由IEC60870-5-104程序轉(zhuǎn)發(fā)主機（理論上瞬時），通過主機PIDtran進程，直接下發(fā)到機組LCU（理論上瞬時），機組LCU收到新給定值后：①調(diào)速器開度給定方式下：重新激活PID調(diào)節(jié)周期標記，根據(jù)實際負荷差，相應(yīng)開出合適寬度增/減機組功率脈沖；②調(diào)速器功率給定方式下：直接將機組功率給定以模出方式給調(diào)速器，由調(diào)速器自行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

上行：

機組功率通過機組LCU功率變送器采集，機組LCU的PLC AI模件采集功率變送器4~20 mA電流信號，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換（理論上瞬時），PLC CPU模件掃描PLC AI模件測值并存儲在PLC上行信箱區(qū)供上位機主機PLC驅(qū)動程序采集（1 s掃描周期），上位機主機PLC驅(qū)動程序采集PLC CPU模件上行信箱區(qū)內(nèi)測值（理論上瞬時），由主機轉(zhuǎn)發(fā)至遠動通信機IEC 60870-5-104程序上送給電網(wǎng)調(diào)度（全組播時延遲約1 s，根據(jù)電站數(shù)據(jù)庫測點量，電站越大，測點數(shù)量越多，占用時間越多，監(jiān)控系統(tǒng)周期為5 s一次，此概率非常小，幾乎可以忽略，其他時刻理論上瞬時）。

解決方案只有縮短此環(huán)節(jié)內(nèi)的時間。

（2）針對AGC考核指標：調(diào)節(jié)速率

此方案分兩種情況討論：

1）調(diào)速器在導葉開度調(diào)節(jié)模式

這種方式下只能由監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化機組功率調(diào)節(jié)參數(shù)，詳見下文。

2）調(diào)速器在功率調(diào)節(jié)模式

需要調(diào)速器具備功率調(diào)節(jié)模式，原拉西瓦機組調(diào)速器是由法國阿爾斯通公司提供，不具備功率調(diào)節(jié)模式，但后期，拉西瓦水電站1、3、5、6號機組調(diào)速器電氣控制柜已經(jīng)改造成東電公司的設(shè)備，具備功率調(diào)節(jié)模式，由于5號機組調(diào)速器改造較早，當時沒有功率調(diào)節(jié)模式，后來1號機組調(diào)速器改造時，對功率調(diào)節(jié)模式進行了調(diào)試。原理為監(jiān)控系統(tǒng)將電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的AGC給定值以模出方式給調(diào)速器，當有新的AGC給定值下發(fā)時候，監(jiān)控系統(tǒng)同時開出確認脈沖，這樣避免了監(jiān)控系統(tǒng)機組功率調(diào)節(jié)退出但調(diào)速器還在功率調(diào)節(jié)模式時候，功率給定模出跟蹤功率實發(fā)造成溜負荷或超調(diào)的問題。但是，據(jù)了解，功率調(diào)節(jié)模式在西北區(qū)域電站并未得到推廣，案例和成功經(jīng)驗缺乏，更多電站相對建議使用開度調(diào)節(jié)模式，電站長時間投用功率調(diào)節(jié)模式存在一定的風險。

監(jiān)控系統(tǒng)通信方式（上位機或SJ30B通信管理裝置）發(fā)單機AGC給定值給調(diào)速器，目前，機組LCU缺少現(xiàn)地交換機，調(diào)速器還不具備通信設(shè)值的功能，還不具備以上方式的實施條件，同時考慮到拉西瓦這樣的大型水電機組，確實沒有可靠的工程實施經(jīng)驗，暫不予考慮。

（3）綜合以上2條，還是要在調(diào)速器開度模式下尋找解決辦法。

3 詳細實施措施

（1）針對AGC考核指標：響應(yīng)時間

上行：

將PLC PID_P子程序段中采集的機組功率由原來AI PROC子程序段每1 s采集改為每周期由AI模件4~20 mA（即PLC掃描周期，一個IPO的時間，約80 ms，下同）采集，同時上送監(jiān)控系統(tǒng)上位機的機組功率測值也配置為每周期采集，從采集層面，提高了PLC PID_P子程序段所用測量源的采集效率，這對后面講到的利用可變調(diào)節(jié)周期實現(xiàn)精細化調(diào)節(jié)很重要。另外也提高了上位機主機PLC驅(qū)動程序采集效率，減少了中間延遲時間，降低了AGC考核指標中“響應(yīng)時間”。

PID_P子程序段中替換相應(yīng)邏輯：

原取值方式：

PID模塊用功率實時值=AI PROC采集功率實時值（每1 s刷新）

更新后取值方式：

PID模塊用功率實時值=AI模件4~20 mA采集值直接換算（每周期刷新）

SEND子程序段中增加相應(yīng)邏輯：

上送上位機功率實時值=PID模塊用功率實時值

修改完成之后，PLC編程軟件聯(lián)機或上位機測點索引監(jiān)視，比普通模擬量刷新速率明顯加快，在極低概率下會有停頓，原因是受主機全組播影響，這種情況帶來的影響基本可以忽略。

下行：

機組LCU接收到新AGC給定值后，通過P_NEW標記無條件重新激活PID運算模塊，重新開始新的一個調(diào)節(jié)周期，即在當前掃描周期內(nèi)就計算出增/減機組功率脈沖指令，然后輸出給調(diào)速器。按照之前的做法，需要等待PID運算模塊當前調(diào)節(jié)周期執(zhí)行完畢，再計算增/減機組功率脈沖指令，這會造成一個時間不固定的延時。以上方法，從執(zhí)行層面，提高了PLC機組功率調(diào)節(jié)的執(zhí)行效率，減少了中間延遲時間，降低了AGC考核指標中“響應(yīng)時間”。

（2）針對AGC考核指標：調(diào)節(jié)速率

優(yōu)化PID調(diào)節(jié)參數(shù)：

經(jīng)過了解，原來PID調(diào)節(jié)參數(shù)是經(jīng)過經(jīng)驗+有限的試驗得出，這樣的缺點是，有限的單機功率調(diào)節(jié)機會和工況，并不能得出最優(yōu)的PID參數(shù)來，接下來通過理論進行計算：

統(tǒng)計和分析機組導葉開度和功率的關(guān)系，如表1和圖2所示：

表1 導葉開度與功率關(guān)系

圖2 導葉開度、有功功率關(guān)系

對機組導葉開度和功率關(guān)系進行分析后發(fā)現(xiàn)，兩者基本趨于線性關(guān)系，機組并網(wǎng)后，導葉開度每變化1%，功率變化約11 MW，這給后面參數(shù)優(yōu)化提供了良好的基礎(chǔ)。

了解調(diào)速器運行參數(shù)：

調(diào)速器設(shè)置開度調(diào)節(jié)速率是3%/s（可根據(jù)情況適當調(diào)整，一般默認3%/s），調(diào)速器控制器掃描周期約50 ms，按照線性關(guān)系計算，監(jiān)控系統(tǒng)開出約1 s脈沖調(diào)節(jié)導葉開度約3%，功率變化約33 MW，由于拉西瓦水電站在西北電網(wǎng)上主要起著調(diào)峰調(diào)頻事故備用的作用，電網(wǎng)調(diào)度調(diào)節(jié)步長不盡相同，根據(jù)經(jīng)驗，最長脈寬不宜超過5 s，調(diào)節(jié)脈寬太長一來調(diào)速器會判斷信號黏連，將會無效，二來調(diào)節(jié)量太大會影響機組機械部件的穩(wěn)定性。我們預先設(shè)定一個最長調(diào)節(jié)脈寬4.5 s，按照這個調(diào)節(jié)脈寬計算得出最大步長150 MW，根據(jù)調(diào)節(jié)反饋曲線，即4.5 s脈沖復歸后，功率還在上升或下降，這個滯后的時間要考慮進去，避免在功率還沒有穩(wěn)定而再次下發(fā)增/減脈沖，這樣約一個執(zhí)行周期可以調(diào)節(jié)到位，在試驗剛開始，周期可以設(shè)置長一些，根據(jù)調(diào)節(jié)曲線（圖3）可以發(fā)現(xiàn)：調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)等待，將這部分時間適當減去，最后確定周期為7 s（4.5 s調(diào)節(jié)脈寬+2.5 s等待時間）。

圖3 機組功率調(diào)節(jié)曲線

那么，按照上面的關(guān)系，當調(diào)節(jié)步長減小后，可以計算出不同調(diào)節(jié)步長下，應(yīng)當輸出多長調(diào)節(jié)脈寬才合適，如表2所示。

表2 調(diào)節(jié)步長和調(diào)節(jié)脈寬關(guān)系

將每次調(diào)節(jié)的等待時間計算進去，就是調(diào)節(jié)周期。等待時間與ΔP（為P.SET_VALUE-P.CURRENT_VALUE，下同）。有關(guān)，調(diào)節(jié)量越大，等待時間越長，調(diào)節(jié)量越小，等待時間越短。所以，如果要實現(xiàn)理想的調(diào)節(jié)速率，調(diào)節(jié)周期是不能固定的。

再次優(yōu)化PID調(diào)節(jié)周期：

如果按照上面情況優(yōu)化參數(shù)，還是不夠的，對于小負荷調(diào)節(jié)，比如步長15 MW、20 MW等，按照理論調(diào)節(jié)一個周期進入死區(qū)，容易超調(diào)，這時候應(yīng)該適當放緩調(diào)節(jié)速度，實現(xiàn)精細化調(diào)節(jié)，那么，就不能將死區(qū)8 MW作為單脈沖調(diào)節(jié)進死區(qū)的最小ΔP，應(yīng)該適當放大，預先設(shè)置一個最小步長20 MW，ΔP在20 MW以內(nèi)，使用最小脈寬200 ms，在20 MW以外，按照比例進行調(diào)節(jié)，ΔP、調(diào)節(jié)周期、調(diào)節(jié)脈寬等關(guān)系，如表3所示。

表3 優(yōu)化后的調(diào)節(jié)步長和調(diào)節(jié)脈寬關(guān)系

另外，如果有些電站是非調(diào)峰調(diào)頻電站，基本是帶穩(wěn)定負荷運行，電網(wǎng)調(diào)度每15 min會下發(fā)相同的單機AGC給定值，每次下發(fā)給定值的時候就是一個考核點，假如當前某臺機組AGC給定值100 MW，電網(wǎng)調(diào)度每15 min下發(fā)100 MW給定值等效為給定值不變，機組LCU并未收到新給定值而重新激活PID調(diào)節(jié)周期標記，正常情況下實發(fā)值在（100±死區(qū)）MW范圍內(nèi)波動，但也會由于一次調(diào)頻、水力機械、變送器波動等原因?qū)е聶C組功率實發(fā)值超出（100±死區(qū)）MW范圍，按照原來調(diào)節(jié)7 s周期，反應(yīng)是比較緩慢的，最壞的情況即7 s后才會進行調(diào)節(jié)，很容易被考核。此時應(yīng)該將調(diào)節(jié)周期適當縮短，以加快將波動的機組實發(fā)功率迅速拉回死區(qū)內(nèi)，所以延伸出可自動調(diào)整的調(diào)節(jié)周期（P_pwm_para.t_period）這一概念，即：根據(jù)ΔP來自動調(diào)整的機組功率調(diào)節(jié)周期，負荷差越大，機組功率調(diào)節(jié)周期越大，調(diào)節(jié)步長大且慢，反之，負荷差越小，機組功率調(diào)節(jié)周期越小，調(diào)節(jié)步長小且快，調(diào)節(jié)原理為逼近法。初步設(shè)計機組功率調(diào)節(jié)周期和步長可以是線性關(guān)系，由于在試驗前，機組的調(diào)節(jié)效果還不清楚，適當將線性放緩，僅考慮KP調(diào)節(jié)，可以將理論脈沖寬度計算出，按照理論脈沖寬度，加上考慮脈沖復歸后機組功率還在上升或下降的滯后時間，粗略計算調(diào)節(jié)周期，如表4、圖4所示：

表4 調(diào)節(jié)步長、調(diào)節(jié)周期、調(diào)節(jié)脈寬和理論調(diào)節(jié)量關(guān)系

根據(jù)表4，配置PLC程序，增加PLC P_PARA_INIT子程序段，并增加P_CHG_PERIOD標記，來投退此功能，如圖5所示。

圖5 增加的PLC子程序段

PLC P_PARA_INIT子程序段，添加邏輯，TEMP_REAL2為未限制前的調(diào)節(jié)脈寬，TEMP_REAL11為最長調(diào)節(jié)周期，TEMP_REAL12為最短調(diào)節(jié)周期，TEMP_REAL13為ΔP上限，TEMP_REAL14為ΔP下限，TEMP_REAL3為未限制前的調(diào)節(jié)周期，TEMP_REAL15為最長調(diào)節(jié)周期的輸出脈寬，TEMP_REAL16最短調(diào)節(jié)周期的輸出脈寬，程序自動計算轉(zhuǎn)換用的a、b系數(shù)。p_para.gain為PID比例系數(shù)，要保證足夠大，以能滿足PWM功能塊計算出的脈寬要大于P_pwm_para.t_max，當PWM功能塊計算脈寬小于P_pwm_para.t_min時，則不輸出。

PLC內(nèi)邏輯如下：

P_PARA_INIT子程序段中邏輯：

（1）當P_CHG_PERIOD標記投入，則初始化以下參數(shù)：

p_para.gain:=20.0;

TEMP_REAL11:=7.0;

TEMP_REAL12:=2.0;

TEMP_REAL13:=150.0;

TEMP_REAL14:=20.0;

TEMP_REAL15:=4.5;

TEMP_REAL16:=0.2;

（2）調(diào)節(jié)周期的計算和處理：

（3）調(diào)節(jié)脈寬的計算和處理：

4 驗證結(jié)果

調(diào)速器改造前的6號機組功率調(diào)節(jié)曲線，如圖6所示，可以看出，超調(diào)和調(diào)節(jié)震蕩明顯。

圖6 6號機組功率調(diào)節(jié)曲線

調(diào)速器改造后并P_CHG_PERIOD投入的6號機組和調(diào)速器未改造的2號機組，同時間段機組功率調(diào)節(jié)曲線對比，如圖7~圖10所示。

圖7 6號機組和2號機組功率調(diào)節(jié)曲線對比1

圖8 6號機組和2號機組功率調(diào)節(jié)曲線對比2

圖9 6號機組和2號機組功率調(diào)節(jié)曲線對比3

圖10 6號機組和2號機組功率調(diào)節(jié)曲線對比4

調(diào)速器改造后并無P_CHG_PERIOD功能的3號機組的功率調(diào)節(jié)曲線，如圖11所示。

圖11 3號機組功率調(diào)節(jié)曲線

調(diào)速器改造后并P_CHG_PERIOD投入的6號機組和調(diào)速器改造后無P_CHG_PERIOD功能的3號機組的功率調(diào)節(jié)曲線對比，如圖12~圖14所示。

圖12 6號機組和3號機組功率調(diào)節(jié)對比1

圖13 6號機組和3號機組功率調(diào)節(jié)曲線對比2

圖14 6號機組和3號機組功率調(diào)節(jié)曲線對比3

從以上曲線對比來看，該方法可在保證原有機組功率調(diào)節(jié)速率的基礎(chǔ)上，避免超調(diào)或調(diào)節(jié)震蕩情況的出現(xiàn)，并且提高調(diào)節(jié)速率的同時，比之前更快進入調(diào)節(jié)死區(qū)，通過試驗，驗證了機組功率調(diào)節(jié)性能優(yōu)化的可行性，給電站更好滿足國家能源局西北監(jiān)管局“兩個細則”的考核要求提供了解決方案，后期，可以適當調(diào)整斜率，方便增大或減小機組功率調(diào)節(jié)速率。

5 結(jié)語

在優(yōu)先考慮調(diào)速器投開度模式調(diào)節(jié)的前提下，將監(jiān)控系統(tǒng)機組LCU功率調(diào)節(jié)參數(shù)進行優(yōu)化，突破了原長期使用的固定周期調(diào)節(jié)方式的弊端，改為可變周期相對靈活的調(diào)節(jié)方案，在ΔP大的時候，增加增/減脈寬長度和調(diào)節(jié)周期，實現(xiàn)快速粗調(diào)節(jié)，隨著ΔP的減小，減小增/減脈寬長度和調(diào)節(jié)周期，實現(xiàn)慢速精調(diào)節(jié)，最終通過試驗，驗證了此方法的可行性，希望本篇文章可以給其他電站的機組功率調(diào)節(jié)優(yōu)化提供借鑒意義。

目前西北區(qū)域電網(wǎng)直調(diào)水電廠AGC的控制方式為監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)模式，是負荷偏差調(diào)節(jié)，一次調(diào)頻是根據(jù)設(shè)備所在地頻率偏差進行調(diào)節(jié)，兩者的控制目標、控制方式、響應(yīng)時間均有較大差異，在一些情況下，雙方的控制目標會出現(xiàn)矛盾。此外，AGC和一次調(diào)頻在考核方面也存在一些矛盾，AGC希望機組能嚴格跟蹤功率定值，而一次調(diào)頻則希望機組不要跟蹤功率定值，應(yīng)及時響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化[2]。簡而言之，電網(wǎng)調(diào)度為了控制頻率，在水電站監(jiān)控系統(tǒng)上實施AGC（二次調(diào)頻），在調(diào)速器上實施一次調(diào)頻功能，由于兩個功能分布在不同的系統(tǒng)，難免會遇到協(xié)調(diào)問題，為此，本站監(jiān)控系統(tǒng)也做了一些協(xié)同配合，目前的做法是非一次調(diào)頻引起的機組功率波動超出死區(qū)，則監(jiān)控系統(tǒng)負責拉回，否則，將閉鎖監(jiān)控系統(tǒng)機組功率調(diào)節(jié)的增/減脈寬輸出，直至一次調(diào)頻動作信號復歸后，如果機組功率測值出死區(qū)外，監(jiān)控系統(tǒng)則重新激活調(diào)節(jié)，以滿足一次調(diào)頻優(yōu)先于AGC（二次調(diào)頻）的基本需求。